CN114368962A - 一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法,原料配比为：铁尾矿50.0％～73.0％、硅铝原料10.0％～20.0％、钙镁原料15.0％～38.0％，生物质原料2.0％～7.0％；将原料分别进行烘干后各自采用磨机碎磨至‑0.15mm,然后在混料机中混合得到坯料，备用；将坯料放入造球机进行造球成型，将造球成型的滤料在回转窑中于1150～1250℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品，制备出铁尾矿陶瓷滤料完全满足CJ/T 299‑2009技术指标要求，可用于矿山废水、化工废水、生活废水处理，为铁尾矿大宗利用开辟一条新的途径，达到以废治废的成效。其中处理矿山废水上，更是就地取材，就地生产，就地应用，节约时序和空间序的环节，具有显著的经济、环境和社会效益。

Description

一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法
技术领域
本发明属于固体废弃物资源综合利用领域，具体涉及一种铁尾矿陶瓷滤料产品，可在矿山废水处理、化工废水、生活废水处理等领域广泛应用，特别适合含镉重金属矿山废水的处理。
背景技术
陶粒由于其内部有大量孔隙可以大量吸收水中的杂质，可以作为优质过滤材料。其过滤方面主要应用在污水处理、生活用水过滤、化工生产过滤、食品及饮料等。现在全国有几处采用陶粒作为过滤材料，取得了满意的效果。陶粒作为滤质材料具有易清洗、可反复使用，且过滤成本低、效率高等优点。陶粒对铬、铅、磷和镍具有较强的去除作用,并对COD和氨氮有较强的去除作用。其相对于传统的石英砂、核桃壳、无烟粉等，具有孔隙率高、比表面积大、吸附性好、机械强度高、耐磨损、化学性能稳定、过滤周期长、耐反冲洗、不易造成二次污染等优点。因此，陶瓷滤料现已成为水处理行业的新一代滤料，其需求量逐年增加。
尾矿作为我国最大的工业固体废物之一，每年产量高达11亿余吨，现堆积总量约190亿余吨，其中铁尾矿占比最大。现有铁尾矿的大量堆存会带来经济、环境和安全等诸多方面的问题，例如占用大量土地面积，环境污染和安全隐患等风险。如何有效实现大宗利用铁尾矿，达到减量化、无害化和资源化的目的，成为国内外研究的热点和难点。
此外，酸性矿山废水的产生主要是由于在采矿的过程中，矿物中的硫在氧化环境中被氧化溶解于水中，使得水中的硫酸根离子含量增高，成为地下水中的主要阴离子，并与阳离子生成硫酸盐。因为硫酸盐是强酸弱碱盐，所以会导致水体呈酸。矿山酸性废水因其酸度大，同时还含有铜、铅、锌、镉等重金属离子，对环境危害极大。目前国内外对矿山酸性水处理方法主要有化学处理、物理处理及生物处理等，其中最常用的工艺方法主要包括中和法、微生物法、人工湿地法及膜法等。近年来，国内外在矿山酸性废水治理领域有了较大的发展，出现了一系列新的处理技术，如电化学技术、微生物燃料电池技术及源头治理技术等，但是工程实施的成本较高。故此，发展高效、廉价、安全及操作简便的酸性矿山废水处理技术的具有很强的必要性和必然性，本发明即是从此出发，就地取材，就地使用，实现以废治废，高效吸附。
随着工业的迅速发展，环境污染问题变得越来越严峻，其中重金属污染已成为当前水处理领域的重要研究课题。通常采用氧化还原法、化学沉淀法、离子交换法、萃取法、化学氧化法、絮凝沉淀法和膜过滤法等治理技术去除水中的污染物，但是这些处理方法存在操作过程复杂、运行成本高以及会造成二次污染等缺点。吸附剂材料大体上可分为有机、无机和生物三大类，在废水处理过程中，从吸附剂的吸附机制分析，吸附剂与吸附质之间的相互作用力不只是简单的物理吸附、而是物理、化学和离子交换三种吸附综合作用的结果。由于尾矿陶瓷滤料，具有多孔碱性高铁的特性，处理矿山酸性废水，兼备物理吸附，化学中和，离子交换的综合作用，是矿山酸性废水处理的重要途径。
国外文献《Thermal Conductivity and Impact Properties of Iron OreTailings Filled Epoxy Composites》一文介绍利用铁尾矿作为环氧树脂复合材料的填充，这种方法虽然具备高值利用的特性，但是从去存量上很难做到有效缓解。
中国专利ZL201510279164公布一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，是以粘土性含铁尾矿、煤矸石和城镇污水处理厂脱水污泥为原料，经过预处理、配料及混料、造球，经预热和焙烧，其中预热温度500-600℃、焙烧温度1250-1350℃、升温速率 10-15℃/min，制备出的超轻陶瓷堆积密度为390kg/m3、筒压强度为 1.2MPa、吸水率为3.8％，达到GB/T 17431.1-2010的要求。但是这种方法，烧制温度高达1350℃，且烧制时间长，能耗高，不宜推广和应用。
中国专利ZL20121031498.8公布一种低硅铁尾矿制备多孔陶粒及其制备方法，将低硅铁尾矿、造孔剂和粘土粉混合后，造粒成生球，生球干燥后，在1100-1180℃条件下焙烧40-60min，得到烧成的铁尾矿陶粒。该方法主要适用于低硅铁尾矿，随着选矿技术与装备的提升，高硅铁尾矿越来越成为主导的铁尾矿类别，故此对于铁尾矿减量化的能力存在不足。此外，铁尾矿的造粒过程中涉及喷洒水玻璃，增加成本。
本发明以铁尾矿为主要原料制备陶瓷滤料，实现铁尾矿的大宗高效利用，处理包括矿山在内的废水，达到以废治废的成效，其中在矿山废水的治理上，更是就地取材，就地生产，原位就地应用，节约时序和空间序的环节。
发明内容
本发明的目的就是针对现有尾矿陶粒制备存在的烧制温度高、能耗高、成本高以及适应性窄等问题，而提供一种生产成本低、原料普遍且来源广泛、易就地取材进行制备且产品性能优良的用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，从而为铁尾矿综合利用提供了新的途径。
为实现本发明的上述目的，本发明一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，采用以下工艺、步骤实施：
(1)原料准备：将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿50.0％～73.0％、硅铝原料10.0％～20.0％、钙镁原料15.0％～38.0％，生物质原料2.0％～7.0％；所述的铁尾矿的化学组分按质量百分比为 30.0％<(SiO2+Al2O3)<80.0％,5.0％<CaO+MgO<40.0％；所述的硅铝原料中，70.0％<(SiO2+Al2O3)<100％；所述的钙镁原料中，45％< (CaO+MgO)<100％。
所述的原料配比优选为：铁尾矿51.0％～71.0％、硅铝原料 11.0％～20.0％、钙镁原料15.0％～35.0％，生物质原料3.0％～6.0％；所述的原料配比进一步优选为：铁尾矿51.0％～70.0％、硅铝原料 11.0％～20.0％、钙镁原料15.0％～34.0％，生物质原料4.0％～6.0％。试验研究表明，在该优化配比情况下，制备的铁尾矿陶粒滤料孔隙率高、比表面积大、吸附性好、机械强度高。
(2)烘干/干燥-碎磨：将上述原料分别进行烘干/干燥,使其含水率均低于5.0％，随后各自采用干式磨机碎磨至-0.15mm粒级含量≥95.0％,然后在混料机中混合得到坯料，备用。
(3)造球成型：将上述坯料放入造球机进行造球成型，造球机出料粒度应控制在1.0～8.0mm范围，其中以1～5mm范围为优。
(4)烧制：将造球成型的滤料在70～110℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1150～1250℃烧制，得到铁尾矿陶粒滤料产品。
进一步地，所述的硅铝原料为普通粘土、石英、长石或渣土中的一种或多种；所述的钙镁原料为石灰石、白云石、大理石或钢渣中的一种或多种；所述生物质原料包括秸秆粉、稻壳粉或木屑粉中的一种或多种。
进一步地，所述钙镁原料经950～1050℃煅烧26～35min，且煅烧后产品中50％<(CaO+MgO)<100％。
进一步地，步骤(3)中，造球机出料粒度控制在1～5mm范围。
通过调控原料配比、优化上述工艺参数，控制铁尾矿陶粒滤料的技术性能指标为：破碎率与磨碎率之和<4.0％，含泥量<0.6％，盐酸可溶性<1.0％，孔隙率>60.0％，比表面积>7500cm2/g。
(1)将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿50～75％、硅铝原料10～20％、钙镁原料15～40％，生物质原料0～7％；其中以以下配比为优：铁尾矿51～71％、硅铝原料11～20％、钙镁原料15～35％，生物质原料3～7％。
(2)将上述原料分别进行烘干/干燥,使其含水率均低于5％，随后各自采用磨机碎磨至-0.15mm,然后在混料机中混合得到坯料，备用。
(3)将上述坯料放入造球机进行造球成型，造球机出料粒度应控制在0.5～15mm范围；其中造球机出料粒度控制在1～5mm范围为优。
(4)将造球成型的滤料在70～110℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1150～1250℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品。
为了提高铁尾矿陶瓷滤料的性能，所述铁尾矿的化学组分按质量百分比较佳为：32％<SiO2<65％,2％<CaO<25％,5％<(Al2O3+MgO)<25％。
进一步地，所述的硅铝原料为普通粘土、石英、长石或渣土中的一种或多种；所述的钙镁原料为石灰石、白云石、大理石或钢渣中的一种或多种；
进一步地，所述钙镁原料经950～1050℃煅烧26～35min，且煅烧后产品中40％<(CaO+MgO)<100％，其中以在1000℃下煅烧30min 为佳。
上述步骤(4)中，回转窑的转速为1～5r/min，全过程烧制时间为30min-120min。
与现有技术相比，本发明一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法具有如下优点：
(1)以铁尾矿为主要原料，其它原料较为普遍，分布广泛，受原料区域性影响较小，具有较好的可实施性，可就地为铁尾矿综合利用提供新的途径，具有显著的经济、环境和社会效益。
(2)所制备的环保陶瓷滤料，可广泛应用于废水处理，甚至包括铁尾矿所在的矿山废水，真正做到以废治废。
(3)生产工艺简易、成本低，所得产品在市场上具有较好竞争力。
(4)经过试验研究，制备的铁尾矿陶瓷滤料用于矿山废水、化工废水、生活废水的处理时，去污效率效果明显，浊度去除率达76％～86％，COD去除率82～91％，对高浓度氨氮的去除率高达91％以上；特别在处理含镉重金属的矿山废水表现出优良的技术效果，镉去除率高达85-98％。
附图说明
图1为本发明一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法原则工艺流程图；
图2为本发明实施例3制得的铁尾矿陶瓷滤料烧结后的XRD图。
具体实施方式
为描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法做进一步详细说明。
由图1所示的本发明一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法原则工艺流程图看出，本发明一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法按照以下步骤实施：
(1)原料准备：将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿50.0％～73.0％、硅铝原料10.0％～20.0％、钙镁原料15.0％～38.0％，生物质原料2.0％～7.0％；所述的铁尾矿的化学组分按质量百分比为30.0％<(SiO2+Al2O3)<80.0％,5.0％<CaO+MgO<40.0％；所述的硅铝原料中，70.0％<(SiO2+Al2O3)<100％；所述的钙镁原料中，45％< (CaO+MgO)<100％。
(2)烘干/干燥-碎磨：将上述原料分别进行烘干/干燥,使其含水率均低于5.0％，随后各自采用干式磨机碎磨至-0.15mm粒级含量≥95.0％,然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)造球成型：将上述坯料放入造球机进行造球成型，造球机出料粒度应控制在1.0～8.0mm范围；
(4)烧制：将造球成型的滤料在70～110℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1150～1250℃烧制，得到铁尾矿陶粒滤料产品。
下面是10个具体的实施例。
实施例1
(1)将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿55％、普通粘土10％、白云石30％、木屑粉5％；
(2)将上述原料分别烘干3小时，其含水率均低于5％，随后各自在球磨机中球磨至-0.15mm，然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)将上述坯料放入造球机进行造球，造球机出料粒度在3-5mm 范围；
(4)将成型的滤料在100℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1170℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品。
实施例2
(1)将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿65％、渣土10％、石英2％、白云石20％、稻壳粉3％；
(2)将上述原料分别烘干4小时，其含水率均低于5％，随后各自在球磨机中球磨至-0.15mm，然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)将上述坯料放入造球机进行造球，造球机出料粒度在5-8mm 范围；
(4)将成型的滤料在100℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1200℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品。
实施例3
(1)将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿50％、普通粘土10％、长石10％、石灰石10％、白云石10％、钢渣7％、木屑粉 3％；
(2)将上述原料分别烘干2.5小时，其含水率均低于5％，随后各自在球磨机中球磨至-0.15mm，然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)将上述坯料放入造球机进行造球，造球机出料粒度在 0.5-3mm范围；
(4)将成型的滤料在100℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1150℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品。
实施例4
(1)将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿75％、普通粘土10％、石灰石10％、大理石5％。
(2)将上述原料分别烘干5小时，其含水率均低于5％，随后各自在球磨机中球磨至-0.15mm，然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)将上述坯料放入造球机进行造球，造球机出料粒度在1-3mm 范围；
(4)将成型的滤料在100℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1250℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品。
实施例5
(1)将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿60％、普通粘土10％、长石5％、石灰石13％、大理石5％、秸秆粉3％、木屑粉 4％。
(2)将上述原料分别烘干4.5小时，其含水率均低于5％，随后各自在球磨机中球磨至-0.15mm，然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)将上述坯料放入造球机进行造球，造球机出料粒度在 8-15mm范围；
(4)将成型的滤料在100℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1230℃烧制，得到铁尾矿陶瓷滤料产品。
本发明实施例1、2、3、4、5所制备的铁尾矿陶瓷滤料产品－环保陶瓷滤球，其物理化学性能符合要求，破碎率与磨碎率之和、孔隙率、盐酸可溶性、含泥量、比表面积，完全满足CJ/T 299-2009 指标要求，并在处理含镉重金属的矿山酸性废水表现出优良效果，具体如表1：
表1制备的铁尾矿陶瓷滤料产品性能
项目 测量值 指标
破碎率与磨碎率之和，％ 2.15-4.85 ≤6
含泥量，％ 0.12-0.69 ≤1
盐酸可溶性，％ 0.35-1.27 ≤2
孔隙率，％ 54-76 ≥40
比表面积cm<sup>2</sup>/g 6734-9628 ≥0.5Х10<sup>4</sup>
矿山废水Cd去除率 85-97％ ——
由图2所示的本发明实施例3制得的铁尾矿陶瓷滤料烧结后的 XRD图看出，所述铁尾矿陶瓷滤料的物相组成主要含有镁黄长石、辉石、石英、尖晶石中的一种或多种。
实施例6～10铁尾矿采用某磁铁矿选矿尾矿，该铁尾矿中的化学组份为：SiO256.4％，Al2O312.3％，CaO 3.2％，MgO 2.6％，TFe8.2％；硅铝原料为石英；钙镁原料为白云石，生物质原料为玉米秸秆粉。按照工艺制备出铁尾矿陶瓷滤料：
(1)将原料按表3干重质量百分比称量配比；
(2)烘干-碎磨：将上述原料分别进行烘干,使其含水率均低于 5.0％，随后各自采用干式磨机碎磨至过0.15mm筛孔,然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)造球成型：将上述坯料放入造球机进行造球成型，造球机出料粒度应控制在2.0～7.0mm范围；
(4)烧制：将造球成型的滤料在100℃进行干燥至含水率低于 1％，然后放入回转窑中，于1190℃烧制，得到铁尾矿陶粒滤料产品。
表2是实施例6～10制备的铁尾矿陶瓷滤料产品原料配比。
表2制备的铁尾矿陶瓷滤料产品原料配比
实施例 铁尾矿 硅铝原料 钙镁原料 生物质原料
6 51 18 27 4
7 71 11 15 3
8 60 14 20 6
9 51 11 35 3
10 55 20 20 5
表3是实施例6～10制备的铁尾矿陶瓷滤料产品性能及对某生活污水处理的应用效果。
表3制备的铁尾矿陶瓷滤料产品性能及对生活污水应用效果
Figure BDA0003492007690000101
从表4看出，实施例6～10制备的铁尾矿陶瓷滤料用于处理生活污水，去污效果显著，COD去除率高达86.3％～91.2％，氨氮去除率高达91.1％～94.5％。
表4是实施例6～10制备的铁尾矿陶瓷滤料产品性能及对某矿山含铬酸性废水处理的应用效果。
表4制备的铁尾矿陶瓷滤料产品性能及对含铬酸性废水应用效果
Figure BDA0003492007690000111
此外，还采用本发明实施例6～10制备的铁尾矿陶瓷滤料处理某化工废水，浊度去除率达76％～86％，COD去除率82～90％，对高浓度氨氮的去除率高达91％以上。

Claims (6)

1.一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，其特征在于采用以下步骤实施：
(1)原料准备：将原料按以下干重质量百分比称量配比：铁尾矿50.0％～73.0％、硅铝原料10.0％～20.0％、钙镁原料15.0％～38.0％，生物质原料2.0％～7.0％；所述的铁尾矿的化学组分按质量百分比为30.0％<(SiO2+Al2O3)<80.0％,5.0％<CaO+MgO<40.0％；所述的硅铝原料中，70.0％<(SiO2+Al2O3)<100％；所述的钙镁原料中，45％<(CaO+MgO)<100％。
(2)烘干/干燥-碎磨：将上述原料分别进行烘干/干燥,使其含水率均低于5.0％，随后各自采用干式磨机碎磨至-0.15mm粒级含量≥95.0％,然后在混料机中混合得到坯料，备用；
(3)造球成型：将上述坯料放入造球机进行造球成型，造球机出料粒度应控制在1.0～8.0mm范围；
(4)烧制：将造球成型的滤料在70～110℃进行干燥至含水率低于1％，然后放入回转窑中，于1150～1250℃烧制，得到铁尾矿陶粒滤料产品。
2.如权利要求1所述的一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，其特征在于：所述的原料配比为：铁尾矿51.0％～71.0％，硅铝原料11.0％～20.0％，钙镁原料15.0％～35.0％，生物质原料3.0％～6.0％。
3.如权利要求1或2所述的一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，其特征在于：所述的硅铝原料为普通粘土、石英、长石或渣土中的一种或多种；所述的钙镁原料为石灰石、白云石、大理石或钢渣中的一种或多种；所述生物质原料包括秸秆粉、稻壳粉或木屑粉中的一种或多种。
4.如权利要求3所述的一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，其特征在于：所述钙镁原料经950～1050℃煅烧26～35min，且煅烧后产品中50％<(CaO+MgO)<100％。
5.如权利要求4所述的一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，造球机出料粒度控制在1～5mm范围。
6.如权利要求5所述的一种用于废水处理的铁尾矿陶粒滤料的制备方法，其特征在于：通过调控原料配比、优化工艺参数，控制铁尾矿陶粒滤料的技术性能指标为：破碎率与磨碎率之和<4.0％，含泥量<0.6％，盐酸可溶性<1.0％，孔隙率>60.0％，比表面积>7500cm2/g。
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